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西安光機所先進光學成像研究不斷取得新進展

——三篇論文同时刊登于《Optics Express》

時間:2019-02-20  來源:文本大小:【 |  | 】  【打印

  2019218日出版的美國光學學會旗下著名光學期刊《Optics Express》同时刊登了我所瞬态光学与光子技术国家重點實驗室姚保利研究組的三篇研究論文,这在我所历史上是首次。 

 圖1.Optics Express》刊登我所瞬態室姚保利研究組三篇研究論文

  在第一篇題爲“Large-scale 3D imaging of insects with natural color”的文章中,實現了大尺寸昆蟲自然色三維高分辨率定量成像。我們知道,經過億萬年的進化,生物結構非常複雜與精巧,並承載了多樣的功能和迷人的景象。生物結構在不同尺度、不同維度和不同部位的觀察與形態分析,爲科學研究結果提供最直接的證據,在衆多學科領域扮演著不可或缺的角色。目前高分辨率三維成像技術已經在生物學領域有了廣泛的應用,並推動著生物學研究不斷取得新的進展。但是已有的技術與研究工具還存在一些不足,比如對大樣品進行三維成像時數據量大且耗時,高分辨率與大成像視場難以同時滿足,樣品自然色彩難以獲取等。因此,尋找一種能夠對昆蟲進行快速三維成像,並獲得其高分辨形貌信息和色彩信息的設備,就成爲了昆蟲分類學家和相關研究領域的迫切需要。 

  爲了解決這些問題,課題組在前期工作的基礎上,與中科院動物研究所合作,通過對彩色結構照明光學成像系統和相關算法進行改造升級,克服了已有三維成像方法的缺陷,大大提升了系統的光能利用率和照明均勻性,使得成像系統在高分辨率、大尺寸、三維、快速、全彩色和定量分析等六大成像要素上均得到了有效提升。該研究對大尺寸昆蟲的高分辨三維定量分析具有重要的參考意義,同時爲昆蟲結構色的研究提供了新的技術手段,在進化生物學、仿生學、分類學、功能形態學、古生物學和工程學等領域具有廣泛的應用前景。 

  圖2.兩種中華虎甲的三維成像結果。(a) 虎甲1的最大值投影圖(4X, NA0.2,其三維成像體積約爲18.7 x 9.4 x 7.0 mm3(b) 利用20X, NA0.45物鏡對圖(a)中紅色方框內區域進行成像的最大值投影結果。(c) (b)的三維形貌信息。(d) (c)中藍色曲線所經過的複眼的三維輪廓曲線。(e) 虎甲2的最大值投影(4X, NA0.2,其三維成像體積約爲19.5 x 8.3 x 6.6 mm3(f) 利用20X, NA0.45物鏡對圖(e) 中紅色方框內區域進行成像的最大值投影結果。(g) (f)的三維形貌信息。(h) (g)中藍色曲線所經過的複眼的三維輪廓曲線。 

  在第二篇題爲“Real-time optical manipulation of particles through turbid media”的文章中,主要實現了透過散射介質後對微粒的實時光學微操縱。大家知道,2018年諾貝爾物理學獎的一半授予了光鑷的發明人Arthur Ashkin在那裏激光捕獲和操縱微粒是在透明和無散射介質中進行的。而當光學系統中有散射介質存在時,成像目標難以在像面清晰呈現,激光也難以聚焦成爲一個焦點。目前有多種方法來克服散射的影響,其中最常用的方法是利用光場調控器件和相應的優化算法對經過散射介質後的光場進行調控。遺傳算法具有收斂速度快,抗噪聲能力強的優勢已經被廣泛應用于散射介質後的光場聚焦和成像,然而遺傳算法在實際應用中依然存在一些問題,比如隨著優化的進行,其收斂速度逐漸變慢,噪聲對最終聚焦結果影響較大,優化結果受探測器動態範圍限制等。近年來,隨著相關技術的成熟,已有研究者將波前矯正技術和光學捕獲結合,實現利用散射光場對微粒的捕獲,但是此類技術在散射介質後産生的聚焦光場質量不高,而且無法實現在散射介質後特定目標點對微粒的捕獲,也無法在散射介質後沿特定路徑對粒子進行操控,靈活性以及應用場合受到限制。 

  爲了實現對經過散射介質後光束的高質量聚焦並將其應用于實際,本文提出了一種相間分區域波前校正方法,實現了入射光經過散射介質後單點和多點的重新聚焦將該方法和光鑷技術結合,可以對散射介質後單一粒子和多個粒子的同時捕獲,並且可以實現在散射介質後某一平面內沿特定軌迹對微粒的操縱。與傳統遺傳算法相比,該方法具有收斂速度快、聚焦強度高、對探測器動態範圍需求小的優點,大大提高了光經過散射介質後的聚焦效果,不僅可以應用于光學微操縱,而且可以應用于其它相關領域,爲散射介質後的物體成像、深層樣品熒光顯微成像以及散射介質後的光場調控提供了有效手段。 

  圖3.激光透過散射介質後對微粒的捕獲和操縱實驗結果。(a)-(e)散射介質後操縱微粒沿矩形軌迹運動;(f)-(j)散射介質後操縱微粒沿圓形軌迹運動(標尺:10μm 

  在第三篇題爲“Three-dimensional space optimization for near-field ptychography”的文章中,實現了近場疊層成像術的三維空間優化。疊層成像術Ptychography是一种无透镜的相干衍射成像技术,拥有大视场、高分辨和定量相位的优势。通过记录多幅交叠的衍射圖像,利用交叠区域的数据冗余和先进的相位恢复算法,能恢复出物体的透射率函数分布、分解相干态以及校准系统误差。这一无透镜的成像方法已经成功应用于可见光、电子波段和X射線波段。然而,疊層成像術在實際應用過程中依然存在一些限制,比如在針對三維厚樣品成像時,其厚度是未知的,傳統成像方法是盡可能減小對樣品每一層的成像厚度,這就增加了成像的層數,而且該方法只適用于連續樣品,对于离散的有着非均匀空间分布的样品则可能会出现伪影,额外的空白层也会降低圖像质量。 

  本文提出一種基于遺傳算法的三維疊層成像算法(GA-3ePIE),可同时优化层数与层距,并且适用于近场三维叠层成像术。相比于远场,它可以使用更少的圖像重构相同大小的视场,而且对光源相干性以及探测器动态范围要求更低。通过分析发现,随着交叠率和采样率的提升,可恢复层数变多。该算法也能被推广到X射線及電子波段領域,同時也可以用于其它計算成像技術,如傅裏葉疊層顯微成像術。 

  圖4.不同參數下USAF分辨率板的強度恢複結果。(a)單層重構結果。(b1-b2)和(c1-c2)不同層距下兩層重構結果。(d1-d3)三層重構結果,包含一層空白層。(e1-e2)和(f1-f2)使用GA-3ePIE算法下的重构结果及放大圖。(g)一张典型的衍射圖。 

  值得一提的是,在同一期的另一篇西班牙學者的題爲Single-shot slightly off-axis digital holographic microscopy with add-on module based on beamsplitter cube的文章中,引用了本研究組的7相关論文,这是对我所在数字全息显微成像领域所做工作的肯定,彰显了我所在该领域的贡献及影响。 

  圖5.Optics Express》同一期上西班牙學者同时引用姚保利研究組7篇数字全息显微成像方面相关論文。 

  姚保利研究員帶領的團隊多年來一直致力于新型光學成像及光學微操縱新方法、新技術和新儀器的研究和開發,已在PRLPRAOLOE等國際知名期刊上發表了200多篇研究論文,授权多项国家发明專利。研究团队曾获陕西省科学技术一等奖、二等奖,陕西省重点科技創新團隊等荣誉称号。2013年在國際上首次提出並實現了基于數字微鏡器件(DMD)和LED照明的結構光照明顯微成像技術,分辨率達到90nm,該成像設備已成功應用于多項生命科學研究之中。研究團隊先後爲國內外多所大學研制了多套激光光鑷微操縱儀,設備性能穩定可靠,獲得了用戶的普遍好評。 

  2014年超分辨顯微成像諾貝爾化學獎,2018年激光光鑷和CPA技术诺贝尔物理学奖,瞬态光学与光子技术国家重點實驗室的研究方向两次与诺奖不期而遇,坚定了我们的科研信心。只有脚踏实地,坚持不懈,持之以恒地开展基础研究,积极开展国内外合作与学术交流,才有可能产生新的学术思想和做出创新性的工作。(瞬态室  供稿)